L'histoire de la ligne R15 de Barcelone à Riba-roja d'Ebre via Tarragone et Reus est étroitement liée à l'ancienne ligne directe de Barcelone à Saragosse et Madrid, bien que son tracé actuel utilise des sections de différentes anciennes compagnies ferroviaires[1].
Ainsi, la première section de Barcelone à Sant Vicenç de Calders par les côtes de Garraf a été bâtie à partir de 1881 par la compagnie du chemin de fer de Valls à Vilanova et Barcelone (voir ligne R13). À l'ouverture de la ligne, les trains n'allaient que jusqu'à la gare de Sant Beltran au port de Barcelone. Ce n'est qu'en 1887 qu'ils ont atteint la gare de France[1].
Pendant de nombreuses années, les trains de Barcelone à Saragosse via Móra la Nova utilisaient la ligne directe de Roda de Barà à Reus, qui a été exploitée pendant un siècle (inaugurée en 1884 et fermée en 1984). Durant ces dernières décennies, le trafic a été reporté sur les lignes de Saint Vicenç à Tarragone et de Tarragone à Reus[1].
À partir de Reus, la ligne a un des tracés les plus spectaculaires de Catalogne, puisqu'elle emprunte le tunnel de l'Argentera, qui permet d'accéder à la vallée de l'Ebre. Sa perforation difficile a beaucoup retardé l'ouverture de la ligne. Ainsi, la première section entre Reus et Marçà-Falset a été inaugurée en 1890, puis elle a été prolongée jusqu'à Mora la Nova en 1891, Faió en 1892, la Pobla d'Híxar en 1893 et Samper de Calanda en 1894 pour être raccordée à la ligne de Saragosse[1].
Les différentes sections ont été intégrées à la compagnie MZA (Madrid - Zaragoza - Alicante) puis ont été transférées à Renfe en 1941. À partir des années 1950, le tracé a été progressivement modernisé et électrifié, et le tracé a connu quelques variantes à cause des nouveaux barrages de l'Èbre. Pendant les dernières années, la ligne est surtout empruntée par des trains régionaux et de marchandises[1]